WO2007134739A1 - System und verfahren zur dreidimensionalen bestimmung der oberfläche eines objekts - Google Patents

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WO2007134739A1
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PCT/EP2007/004229
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Gerald Kunath-Fandrei
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Carl Zeiss Microimaging Gmbh
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    • G02B21/008—Details of detection or image processing, including general computer control

Definitions

  • the invention relates to a system for the three-dimensional determination of the surface of an object.
  • a microscope is known in which a layer of the object is illuminated by means of a thin light strip and the observation is made perpendicular to the plane of the light strip.
  • the object is moved by the light strip which is stationary with respect to the detector, and fluorescence and / or scattered light are recorded by means of a two-dimensional detector. It is possible to rotate the object to take pictures from several spatial directions, which can be subsequently combined to a recording.
  • a disadvantage of the known microscope is that an increased optical effort is necessary because on the one hand the lighting requires its own optics and on the other hand, the detection also requires its own optics. Furthermore, this microscope is only suitable for optically transparent objects.
  • the object is achieved by a system for three-dimensional determination of the surface of an object with an object holder for rotating the object and a lens having incident light microscope for receiving the object surface in reflection, an image module and a control module, which controls the microscope and the image module so in that, by means of the microscope, at least one section of the surface of the object from at least two different spatial directions relative to the section is in each case for a plurality Is detected confocal in reflection and the data thus obtained are supplied to the image module, which generates a three-dimensional image data set of the surface section from the data for each spatial direction and combines the generated three-dimensional image data sets into a three-dimensional overall image of the surface section.
  • the use of an incident-light microscope achieves the advantage that the optical expenditure can be reduced since substantially the same optics, in particular the same objective, can be used for the illumination and the detection. Furthermore, it is possible due to the reflected light illumination to detect reflective surfaces. Due to the confocal detection of the surface portion from different spatial directions, the advantage is also achieved that even local steep flanks in the surface profile can be optically detected and thus represented in the overall image. In particular, rotationally symmetrical opaque objects (eg sphere, cylinder, etc.) can be optically detected.
  • the system may also include a suitable output unit, such as the one shown in FIG. have a monitor.
  • the control module may control the microscope and the image module such that detection of the portion in each spatial direction detects a larger area including the portion and the image module generates from the data for each area a three-dimensional surface area image data set and the generated three-dimensional image data sets of the same section contained in the generated image data sets.
  • the image module can correct or compensate for a deviation of the actual orientation of the object caused by the object holder during the detection of the predetermined orientation of the object.
  • the misalignment can be determined from the image data sets themselves or from a measurement of the orientation of the object holder during the recording. This leads to a qualitatively very good overall picture.
  • the object holder can be designed so that it can rotate the object about two independent axes. This can be an excellent three-dimensional Figure to be achieved.
  • sensors, actuators, micro tools or elements from medical technology, such as a stent can be very well detected and their surface can be displayed in three dimensions with excellent quality.
  • the object holder can be designed so that a solid angle detection of 360 ° or nearly 360 ° is possible.
  • a confocal tomography of the surface can be performed.
  • a nondestructive analysis of parts of complex geometry such as e.g. from medicine and dental technology.
  • the object holder can also be designed so that it can move the object transversely to the optical axis of the objective. This allows very large shots with high magnification.
  • the microscope is designed as a confocal incident light microscope with line focus or point focus. This achieves excellent resolution in the confocal detection of the optical sections. If the incident-light microscope has a line focus, very rapid detection of the individual optical sections is possible.
  • the object is further achieved by a method for the three-dimensional determination of the surface of an object, wherein at least a portion of the surface of the object is detected from at least two different spatial directions with respect to the section confocal in reflection for a plurality of intersections, from the data obtained for Each spatial direction is a three-dimensional image data set of the surface portion is generated and the generated image data sets are combined into a three-dimensional overall image of the surface portion.
  • the surface or the topography of the surface of reflective objects can be completely optically detected in three dimensions, even if the surface has locally steep flanks or other steep structures.
  • a larger area including the section can be detected, from the data for each area a three-dimensional image data set of the surface area are generated and the generated three-dimensional image data sets based on the same section contained in the generated image data sets be combined.
  • the object can be rotated about one or two independent axes. It is also possible to translate the object.
  • the three-dimensional image data thus obtained can be combined into the overall image so that large areas can be displayed.
  • an error can be corrected, which is caused by the fact that the actual orientation of the object in the detection deviates from the predetermined orientation.
  • a pattern analysis method is used to combine the image data sets, so that the combination is performed on the basis of matching patterns in both image data sets.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an embodiment of the system according to the invention for the three-dimensional determination of the surface of an object
  • FIG. 2 is an enlarged view of the objective 2 together with the object OB and the object holder 11;
  • FIG. 3 shows a representation corresponding to FIG. 2 but with a different angle of rotation of the object holder 11;
  • Fig. 4 is an illustration of the aperture cone of the lens 2 relative to the object OB for the
  • FIG. 5 shows a further illustration of the aperture cone for six different rotational positions of the object OB.
  • the system for three-dimensional determination of the surface of an object OB comprises a confocal reflected-light microscope M, a control module S and an image module B.
  • the microscope M contains for detection a microscope optics 1 with a lens 2 and a tube lens 3, a scanner optics 4, a deflection unit or a scanner 5 with two mirrors 6, 7, a main divider 8 and a detection unit 9.
  • the microscope M further comprises a light source unit 10 (here a laser source), the light is passed through the main divider 8 to the scanner 5 and then the scanner optics 4 and the microscope optics 1 in this order and on the object OB meets.
  • the illumination direction is indicated by the arrow P1 and the detection direction is indicated by the arrow P2.
  • the object OB to be examined is fastened on an object holder 11 which is rotatable about a first axis A1 which extends perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1 (indicated by double arrow P3).
  • the microscope M may be formed like a conventional confocal incident-light microscope.
  • the control module S is designed so that with the microscope M, the multiple recording of confocal image stacks (at different depths in the object) of the same portion of the object OB in reflection at different spatial orientations of the object (different rotational positions by means of the object holder 11) can be performed.
  • It is z. B. varies at a constant distance between the lens 2 and object OB, the focal distance of the lens 2, so that the light of the light source unit 10 at different depths (different positions along the optical axis OA of the lens 2) is focused.
  • the focus distance constant and to move the object along the optical axis OA of the objective.
  • the recording at different depths in the object is referred to here as recording with different lens focal lengths or different focal lengths.
  • the control module S controls the microscope M so that initially illuminated in a first rotational position of the object holder 11, the object with the light of the light source unit 10 for different lens incisions and confocal optical sections for the different cutting widths with the on the surface of the object OB reflected light (diffused or directed reflective light) are performed.
  • This is indicated schematically in FIG. 2 in that in each case the aperture cone of the objective 2 is shown for three different object intersections (as dashed line, solid line and dashed-dotted line).
  • the laser radiation is conventionally focused by means of the scanner 5 (into the tip of the aperture cone in FIG. 2) and thus over the object OB moves that a predetermined area 12 of the surface of the object OB is illuminated and detected.
  • the focus can be, for example, a point or a line focus.
  • the inclination of the surface portion 13 of the area 12 of the object OB causes the light for illumination to always be reflected at the portion 13 so that it does not pass back into the aperture cone.
  • the microscope M can optically not detect the portion 13 in the detection from the spatial direction of FIG. 1 and 2.
  • the advantage is achieved that the reflected radiation in the section 13 is now reflected back into the aperture cone of the lens 2, so that from the region 12 in this rotational position, the portion 13 can be optically detected.
  • the detected in both rotational positions in the different optical sections by means of the detection unit 9 data are transmitted to the image module B.
  • the control module S activates the image module B in such a way that it generates a three-dimensional image data record of the detected surface region 12 of the object OB for each rotational position (ie for each spatial direction of the detection) from these data.
  • Image data set is to be understood here in particular as three-dimensional image data which are not used directly for generating an image. However, a three-dimensional representation of the surface area for each spatial direction of the detection could readily be made from the three-dimensional image data.
  • the image module B then combines the three-dimensional image data sets into a three-dimensional overall image which, compared to the three-dimensional image data sets, represents a three-dimensional image of the surface region 12 with an expanded solid angle region.
  • Surface areas with such structures eg steep flanks
  • One can thus also speak of an aperture stitching.
  • the lens has an opening angle ⁇ of 15 ° and was selected as the angle of rotation ⁇ o Reh 15 ° ( FIGS . 2, 3).
  • the control module can also be designed such that the desired maximum detection angle ( ⁇ max ) relative to the optical axis OA of the objective 2 and the rotation angle per rotation or tilt ( ⁇ or eh ) or the number of rotations n are specified.
  • the control module can then use the equation
  • n ⁇ mn ⁇ - ⁇ ⁇ rotation
  • FIGS. 1-3 the rotational position of the aperture cone of the objective 2 relative to the section 13 is shown in FIG.
  • To have three pivotal movements about 15 ° to the right and three tilts by 15 ° to the left (ie n 3 tilts for each direction of rotation) are, as indicated schematically in Fig. 5.
  • the image module B may preferably also perform a correction on at least one of the three-dimensional image data sets, in which deviations of the actual rotational position of the object holder 11 from the desired rotational positions are corrected (for example by means of a corresponding program). In this case, the corrected three-dimensional image data sets are combined into an entire image.
  • the object holder 11 can also be designed so that it allows rotations about two independent axes.
  • the axes are neither parallel to the optical axis OA of the objective 2 nor coincide with the optical axis OA of the objective 2.
  • the object holder 11 may be formed as a table, but it is also possible to provide, for example, a gripper arm with robotics and one or two axes of rotation in order to be able to rotate the object OB accordingly.
  • the image module B can also perform a correction of positional errors in the combination of the three-dimensional image data (eg by means of pattern recognition, correlation, etc.), so that a pixel-precise combination of the three-dimensional image data for generating the overall image is possible.

Abstract

Es wird bereitgestellt ein System zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objekts (OB), mit einem einen Objekthalter (11 ) zum Drehen des Objekts (OB) sowie ein Objektiv (2) aufweisenden Auflicht-Mikroskop (M) zur Aufnahme der Objektoberfläche in Reflexion, einem Bildmodul (B) und einem Steuermodul (S), das das Mikroskop (M) und das Bildmodul (B) so steuert, daß mittels des Mikroskops (M) zumindest ein Abschnitt (13) der Oberfläche des Objekts (OB) aus zumindest zwei verschiedenen Raumrichtungen bezogen auf den Abschnitt (13) jeweils für mehrere Objektivschnittweiten konfokal in Reflexion detektiert wird und die dabei ermittelten Daten dem Bildmodul (B) zugeführt werden, das aus den Daten für jede Raumrichtung einen dreidimensionalen Bilddatensatz des Oberflächenabschnitts (13) erzeugt und die erzeugten dreidimensionalen Bilddatensätze zu einem dreidimensionalen Gesamtbild des Oberflächenabschnitts (13) kombiniert.

Description

System und Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objekts
Die Erfindung betrifft ein System zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objekts.
Aus der DE 102 57 423 A1 ist ein Mikroskop bekannt, bei dem eine Schicht des Objekts mittels eines dünnen Lichtstreifens beleuchtet wird und die Beobachtung senkrecht zur Ebene des Lichtstreifens erfolgt. Für die Bildaufnahme wird das Objekt durch den bezüglich des Detektors feststehenden Lichtstreifens bewegt und Fluoreszenz- und/oder Streulicht wird mit einem flächigen Detektor aufgenommen. Es ist möglich, das Objekt zu drehen, um Aufnahmen aus mehreren Raumrichtungen zu machen, die nachträglich zu einer Aufnahme kombiniert werden können.
Nachteilig bei dem bekannten Mikroskop ist, daß ein erhöhter Optikaufwand notwendig ist, da einerseits die Beleuchtung eine eigene Optik benötigt und andererseits die Detektion ebenfalls eine eigene Optik benötigt. Des weiteren ist dieses Mikroskop nur für optisch transparente Objekte geeignet.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein System und ein Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objekts bereitzustellen, mit denen die Oberfläche reflektierender Objekte, deren Oberfläche lokale steile Flankenwinkel aufweist, optisch abgebildet werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein System zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objekts mit einem einen Objekthalter zum Drehen des Objekts sowie ein Objektiv aufweisenden Auflicht-Mikroskop zur Aufnahme der Objektoberfläche in Reflexion, einem Bildmodul und einem Steuermodul, das das Mikroskop und das Bildmodul so steuert, daß mittels des Mikroskops zumindest ein Abschnitt der Oberfläche des Objekts aus zumindest zwei verschiedenen Raumrichtungen bezogen auf den Abschnitt jeweils für mehrere Objektivschnittweiten konfokal in Reflexion detektiert wird und die dabei ermittelten Daten dem Bildmodul zugeführt werden, das aus den Daten für jede Raumrichtung einen dreidimensionalen Bilddatensatz des Oberflächenabschnitts erzeugt und die erzeugten dreidimensionalen Bilddatensätze zu einem dreidimensionalen Gesamtbild des Oberflächenabschnitts kombiniert.
Durch die Verwendung eines Auflicht-Mikroskops wird der Vorteil erreicht, daß der Optikaufwand verringert werden kann, da für die Beleuchtung und die Detektion im wesentlichen die gleiche Optik, insbesondere dasselbe Objektiv verwendet werden kann. Des weiteren ist es aufgrund der Auflicht-Beleuchtung möglich, reflektierende Oberflächen zu detektieren. Aufgrund der konfokalen Detektion des Oberflächenabschnitts aus unterschiedlichen Raumrichtungen wird ferner der Vorteil erreicht, daß auch lokale steile Flanken im Oberflächenprofil optisch detektiert und somit im Gesamtbild dargestellt werden können. Insbesondere können rotationssymmetrische opake Objekte (z. B. Kugel, Zylinder, ...) optisch detektiert werden.
Das System kann zur Darstellung des Gesamtbildes noch eine geeignete Ausgabeeinheit, wie z.B. einen Monitor aufweisen.
Das Steuermodul kann das Mikroskop und das Bildmodul so steuern, daß bei der Detektion des Abschnitts bei jeder Raumrichtung ein den Abschnitt beinhaltender, größerer Bereich detektiert wird und das Bildmodul aus den Daten für jeden Bereich einen dreidimensionalen Bilddatensatz des Oberflächenbereichs erzeugt und die erzeugten dreidimensionalen Bilddatensätze anhand des in den erzeugten Bilddatensätzen enthaltenen selben Abschnitts kombiniert. Damit wird der Vorteil erreicht, daß größere Bereiche anhand des in den Bereichen enthaltenen selben Abschnitts bei der Bilddatenbearbeitung pixelgenau miteinander zum Gesamtbild kombiniert werden können. Dabei kann insbesondere eine Mustererkennung verwendet werden, um die dreidimensionalen Bilddatensätze in korrekter Ausrichtung zueinander kombinieren zu können.
Insbesondere kann das Bildmodul bei der Erzeugung der Bilddatensätze und/oder der Kombination zum Gesamtbild eine durch den Objekthalter bedingte Abweichung der tatsächlichen Ausrichtung des Objekts bei der Detektion von der vorgegebenen Ausrichtung des Objekts korrigieren bzw. kompensieren. Die fehlerhafte Ausrichtung kann anhand der Bilddatensätze selbst oder anhand einer Messung der Ausrichtung des Objekthalters während der Aufnahme ermittelt werden. Dies führt zu einem qualitativ sehr guten Gesamtbild.
Der Objekthalter kann so ausgebildet sein, daß er das Objekt um zwei voneinander unabhängige Achsen drehen kann. Damit kann eine ausgezeichnete dreidimensionale Abbildung erreicht werden. Insbesondere können beispielsweise Sensoren, Aktuatoren, MikroWerkzeuge oder Elemente aus der Medizintechnik, wie z.B. ein Stent, sehr gut detektiert und deren Oberfläche mit ausgezeichneter Qualität dreidimensional dargestellt werden.
Insbesondere kann der Objekthalter so ausgebildet sein, daß eine Raumwinkeldetektion von 360° oder von nahezu 360° möglich ist. Damit kann mittels des erfindungsgemäßen Systems eine konfokale Tomographie der Oberfläche durchgeführt werden. Insbesondere kann mittels des erfindungsgemäßen Systems eine zerstörungsfreie Analyse von Teilen komplexer Geometrie, wie z.B. aus der Medizin und Dentaltechnik, erfolgen.
Ferner kann der Objekthalter auch so ausgebildet sein, daß er das Objekt quer zur optischen Achse des Objektivs bewegen kann. Damit sind sehr großflächige Aufnahmen mit hoher Vergrößerung möglich.
Insbesondere ist das Mikroskop als konfokales Auflicht-Mikroskop mit Linienfokus oder Punktfokus ausgebildet. Damit wird eine ausgezeichnete Auflösung bei der konfokalen Detektion der optischen Schnitte erreicht. Wenn das Auflicht-Mikroskop einen Linienfokus aufweist, ist eine sehr schnelle Detektion der einzelnen optischen Schnitte möglich.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objekts, bei dem zumindest ein Abschnitt der Oberfläche des Objekts aus zumindest zwei verschiedenen Raumrichtungen bezogen auf den Abschnitt jeweils für mehrere Schnittweiten konfokal in Reflexion detektiert wird, aus den dabei ermittelten Daten für jede Raumrichtung ein dreidimensionaler Bilddatensatz des Oberflächenabschnitts erzeugt wird und die erzeugten Bilddatensätze zu einem dreidimensionalen Gesamtbild des Oberflächenabschnitts kombiniert werden.
Mit diesem Verfahren kann die Oberfläche bzw. die Topographie der Oberfläche von reflektierenden Objekten optisch dreidimensional vollständig erfaßt werden, auch wenn die Oberfläche lokal steile Flanken oder sonstige steile Strukturen aufweist.
Insbesondere kann bei dem Verfahren bei der Detektion des Abschnitts bei jeder Raumrichtung ein den Abschnitt beinhaltender, größerer Bereich detektiert werden, aus den Daten für jeden Bereich ein dreidimensionaler Bilddatensatz des Oberflächenbereichs erzeugt werden und die erzeugten dreidimensionalen Bilddatensätze anhand des in den erzeugten Bilddatensätzen enthaltenen selben Abschnitts kombiniert werden. Zur Detektion aus unterschiedlichen Raumrichtungen kann das Objekt um eine oder auch zwei voneinander unabhängige Achsen gedreht werden. Ferner ist es möglich, das Objekt auch translatorisch zu bewegen. Die dabei gewonnen dreidimensionalen Bilddaten können zu dem Gesamtbild kombiniert werden, so daß große Bereiche dargestellt werden können. Natürlich ist es möglich, die Bilddatensätze der unterschiedlichen Raumrichtungen und der unterschiedlichen translatorischen Positionen zu dem Gesamtbild zu kombinieren.
Des weiteren kann bei der Erzeugung der Bilddatensätze und/oder bei der Kombination zum Gesamtbild ein Fehler korrigiert werden, der dadurch bedingt ist, daß die tatsächliche Ausrichtung des Objekts bei der Detektion von der vorgegebenen Ausrichtung abweicht.
Zur Kombination der Bilddatensätze wird insbesondere ein Musteranalyseverfahren eingesetzt, so daß aufgrund von übereinstimmenden Mustern in beiden Bilddatensätzen die Kombination durchgeführt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der Figuren noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objekts;
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Objektivs 2 zusammen mit dem Objekt OB und dem Objekthalter 11 ;
Fig. 3 eine Darstellung entsprechend zu Fig. 2 jedoch mit anderem Drehwinkel des Objekthalters 11 ;
Fig. 4 eine Darstellung der Apertur-Kegel des Objektivs 2 relativ zum Objekt OB für die
Drehstellungen von Fig. 2 und 3, und
Fig. 5 eine weitere Darstellung der Apertur-Kegel für sechs verschiedene Drehstellungen des Objekts OB.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt das System zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objektes OB ein konfokales Auflicht-Mikroskop M, ein Steuermodul S sowie ein Bildmodul B. Das Mikroskop M enthält zur Detektion eine Mikroskopoptik 1 mit einem Objektiv 2 und einer Tubuslinse 3, einer Scanneroptik 4, eine Ablenkeinheit bzw. einen Scanner 5 mit zwei Spiegeln 6, 7, einen Hauptteiler 8 sowie eine Detektionseinheit 9. Um das zu untersuchende Objekt über die Mikroskopoptik 1 beleuchten zu können, umfaßt das Mikroskop M ferner eine Lichtquelleneinheit 10 (hier eine Laserquelle), deren Licht über den Hauptteiler 8 zum Scanner 5 geführt wird und dann die Scanneroptik 4 sowie die Mikroskopoptik 1 in dieser Reihenfolge durchläuft und auf das Objekt OB trifft. Die Beleuchtungsrichtung ist durch den Pfeil P1 und die Detektionsrichtung ist durch den Pfeil P2 angedeutet.
Das zu untersuchende Objekt OB ist auf einem um eine erste Achse A1 , die sich senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1 erstreckt, drehbaren Objekthalter 11 befestigt (durch Doppelpfeil P3 angedeutet). Mit Ausnahme des drehbaren Objekthalters 11 kann das Mikroskop M wie ein herkömmliches konfokales Auflicht-Mikroskop ausgebildet sein.
Das Steuermodul S ist so ausgebildet, daß mit dem Mikroskop M die mehrfache Aufnahme von konfokalen Bildstapeln (in verschiedenen Tiefen im Objekt) desselben Abschnitts des Objekts OB in Reflexion bei unterschiedlichen räumlichen Orientierungen des Objekts (unterschiedliche Drehstellungen mittels des Objekthalters 11 ) durchgeführt werden kann.
Es wird z. B. bei konstantem Abstand zwischen Objektiv 2 und Objekt OB der Fokusabstand des Objektivs 2 variiert, so daß das Licht der Lichtquelleneinheit 10 in unterschiedlichen Tiefen (unterschiedliche Positionen entlang der optischen Achse OA des Objektivs 2) fokussiert wird. Natürlich ist es auch möglich, den Fokusabstand konstant zu halten und das Objekt entlang der optischen Achse OA des Objektivs zu bewegen. Die Aufnahme in unterschiedlichen Tiefen im Objekt wird hier als Aufnahme mit verschiedenen Objektivschnittweiten bzw. verschiedenen Schnittweiten bezeichnet.
Zur mehrfachen Aufnahme der konfokalen Bildstapel aus unterschiedlichen Raumrichtungen steuert das Steuermodul S das Mikroskop M so an, daß zunächst in einer ersten Drehstellung des Objekthalters 11 das Objekt mit dem Licht der Lichtquelleneinheit 10 für verschiedene Objektivschnittweiten beleuchtet und konfokale optische Schnitte für die verschiedenen Schnittweiten mit dem an der Oberfläche des Objekts OB reflektierten Licht (diffus oder gerichtet reflektives Licht) durchgeführt werden. Dies ist schematisch in Fig. 2 dadurch angedeutet, daß für drei verschiedene Objektschnittweiten jeweils der Aperturkegel des Objektivs 2 dargestellt ist (als Strichlinie, durchgezogene Linie sowie Strichpunktlinie). Um den optischen Schnitt zu erhalten, wird in herkömmlicherweise mittels des Scanners 5 die Laserstrahlung fokussiert (in die Spitze des Apertur-Kegels in Fig. 2) und so über das Objekt OB bewegt, daß ein vorbestimmter Bereich 12 der Oberfläche des Objekts OB beleuchtet und detektiert wird. Der Fokus kann dabei beispielsweise ein Punkt oder auch ein Linienfokus sein.
Bei dem Beispiel von Fig. 2 führt die Neigung des Oberflächenabschnitts 13 des Bereichs 12 des Objekts OB dazu, daß das Licht zur Beleuchtung stets so am Abschnitt 13 reflektiert wird, daß es nicht zurück in den Apertur-Kegel gelangt. Damit kann das Mikroskop M den Abschnitt 13 bei der Detektion aus der Raumrichtung gemäß Fig. 1 und 2 optisch nicht erfassen.
Jedoch wird in einem zweiten Schritt das Objekt OB um die Achse A1 gedreht (hier um 15° nach rechts; Fig. 3). Danach werden in gleicher weise wie bei der Drehstellung von Fig. 1 und 2 wiederum konfokale optische Schnitte in unterschiedlichen Objektivschnittweiten durchgeführt
(nun aus einer zweiten Raumrichtung, die um 15° gegenüber der ersten Raumrichtung gedreht ist). Aufgrund der Drehung des Objektes OB wird der Vorteil erreicht, daß die im Abschnitt 13 reflektierte Strahlung nun in den Apertur-Kegel des Objektivs 2 zurückreflektiert wird, so daß vom Bereich 12 in dieser Drehstellung auch der Abschnitt 13 optisch erfaßt werden kann.
Die in beiden Drehstellungen bei den unterschiedlichen optischen Schnitten mittels der Detektionseinheit 9 erfaßten Daten werden zum Bildmodul B übertragen. Das Steuermodul S steuert das Bildmodul B so an, daß es aus diesen Daten für jede Drehstellung (also für jede Raumrichtung der Detektion) einen dreidimensionalen Bilddatensatz des detektierten Oberflächenbereichs 12 des Objekts OB erzeugt. Unter Bilddatensatz werden hier insbesondere dreidimensionale Bilddaten verstanden, die nicht unmittelbar zur Erzeugung eines Bildes verwendet werden. Jedoch könnte aus den dreidimensionalen Bilddaten ohne weiteres eine dreidimensionale Darstellung des Oberflächenbereichs für jede Raumrichtung der Detektion erfolgen.
Das Bildmodul B kombiniert dann die dreidimensionalen Bilddatensätze zu einem dreidimensionalen Gesamtbild, das im Vergleich zu den dreidimensionalen Bilddatensätze eine dreidimensionale Abbildung des Oberflächenbereichs 12 mit erweitertem Raumwinkelbereich darstellt. Es können somit Oberflächenbereiche mit solchen Strukturen (z.B. steile Flanken) optisch detektiert und nach der beschriebenen Datenverarbeitung dargestellt werden, die normalerweise aufgrund des durch das Mikroskop M vorgegebenen Apertur-Kegels optisch nicht erfaßt werden können. Mit dem erfindungsgemäßen System zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objektes ist ein Aneinanderfügen bzw. ein Kombinieren von Apertur-Kegeln mit unterschiedlicher Raumrichtung (bezogen auf den Abschnitt) für denselben Oberflächenabschnitt möglich. Man kann somit auch von einem Apertur-Stitching sprechen. Bevorzugt liegt eine winkelmäßige Überlappung der einzelnen Apertur-Kegel von 50 % vor. Diese wird erreicht, wenn der Drehwinkel zwischen zwei Drehstellungen dem Öffnungswinkel des Objektivs 2 entspricht. Bei dem hier beschriebenen Beispie! weist das Objektiv einen Öffnungswinkel α von 15° auf und wurde als Drehwinkel αoreh 15° gewählt (Fig. 2, 3).
Man kann das Steuermodul auch so ausbilden, daß man den gewünschten maximalen Detektionswinkel (αmax) relativ zur optischen Achse OA des Objektivs 2 sowie den Drehwinkel pro Drehung bzw. Kippung (αoreh) oder die Anzahl der Drehungen n vorgibt. Das Steuermodul kann dann anhand der Gleichung
n = αmnχ - α α Dreh
n oder αoreh für eine Drehrichtung der Objekthalter 1 1 ermitteln.
Für das Beispiel von Fig. 1-3 sind in Fig. 4 die Drehstellung des Apertur-Kegels des Objektivs 2 relativ zum Abschnitt 13 dargestellt. Der maximale Drehwinkel α^x (bezogen auf die optische Achse OA des Objektivs 2) beträgt 30°, der Drehwinkel αoteh beträgt 15°, so daß sich aus Gleichung 1 für dem Öffnungswinkel von α = 15 für n 1 ergibt.
Bei dem weiteren Beispiel von Fig. 5 ergibt sich bei einem maximalen Drehwinkel cxmax = 60°, einem Öffnungswinkel (α = 15°) des Objektivs 2 und einem Drehwinkel aDreh = 15° für n = 3. So müssen drei Kippungen um 15° nach rechts und drei Kippungen um 15° nach links durchgeführt (also n = 3 Kippungen für jede Drehrichtung ) werden, wie in Fig. 5 schematisch angedeutet ist.
Das Bildmodul B kann bevorzugt noch eine Korrektur bei zumindest einem der dreidimensionalen Bilddatensätze durchführen, bei der Abweichungen der tatsächlichen Drehstellung des Objekthalters 11 von der Soll-Drehstellungen korrigiert werden (z.B. mittels eines entsprechenden Programms). In diesem Fall werden die korrigierten dreidimensionalen Bilddatensätze zu einem gesamten Bild kombiniert.
Natürlich kann der Objekthalter 11 auch so ausgebildet sein, daß er Drehungen um zwei voneinander unabhängige Achsen ermöglicht. Die Achsen sind beide weder parallel zur optischen Achse OA des Objektivs 2 noch fallen sie mit der optischen Achse OA des Objektivs 2 zusammen. Der Objekthalter 11 kann als Tisch ausgebildet sein, es ist jedoch auch möglich, beispielsweise einen Greifarm mit Robotik und einer bzw. zwei Drehachsen vorzusehen, um das Objekt OB entsprechend drehen zu können. Das Bildmodul B kann ferner noch eine Korrektur von Lagefehlern bei der Kombination der dreidimensionalen Bilddaten durchführen (z.B. mittels Mustererkennung, Korrelation, etc.), so daß eine pixelgenaue Kombination der dreidimensionalen Bilddaten zur Erzeugung des Gesamtbildes möglich ist.

Claims

Patentansprüche
1. System zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objekts (OB), mit einem einen Objekthalter (11 ) zum Drehen des Objekts (OB) sowie ein Objektiv (2) aufweisenden Auflicht-Mikroskop (M) zur Aufnahme der Objektoberfläche in Reflexion, einem Bildmodul (B) und einem Steuermodul (S), das das Mikroskop (M) und das Bildmodul (B) so steuert, daß mittels des Mikroskops (M) zumindest ein Abschnitt (13) der Oberfläche des Objekts (OB) aus zumindest zwei verschiedenen Raumrichtungen bezogen auf den Abschnitt (13) jeweils für mehrere Objektivschnittweiten konfokal in Reflexion detektiert wird und die dabei ermittelten Daten dem Bildmodul (B) zugeführt werden, das aus den Daten für jede Raumrichtung einen dreidimensionalen Bilddatensatz des Oberflächenabschnitts (13) erzeugt und die erzeugten dreidimensionalen Bilddatensätze zu einem dreidimensionalen Gesamtbild des Oberflächenabschnitts (13) kombiniert.
2. System nach Anspruch 1 , bei dem das Steuermodul (S) das Mikroskop (M) und das Bildmodul (B) so steuert, daß bei der Detektion des Abschnitts (13) bei jeder Raumrichtung ein den Abschnitt beinhaltender, größerer Bereich (12) detektiert wird und das Bildmodul (B) aus den Daten für jeden Bereich (12) einen dreidimensionalen Bilddatensatz des Oberflächenbereichs (12) erzeugt und die erzeugten dreidimensionalen Bilddatensätze anhand des in den erzeugten Bilddatensätzen enthaltenen selben Abschnitt kombiniert.
3. System nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Objekthalter (11 ) das Objekt (OB) um zwei voneinander unabhängige Achsen drehen kann.
4. System nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Objekthalter (11) das Objekt quer zur optischen Achse des Objektivs (2) bewegen kann.
5. System nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Bildmodul (B) bei der Erzeugung der Bilddatensätze und/oder bei der Kombination zum Gesamtbild eine durch den Objekthalter (11) bedingte Abweichung der tatsächlichen Ausrichtung des Objekts (OB) bei der Detektion des Objekts (OB) von der vorgegebenen Ausrichtung korrigiert.
6. System nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Mikroskop (M) als konfokales Auflicht-Mikroskop mit Linien- oder Punktfokus ausgebildet ist.
7. Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objekts, bei dem zumindest ein Abschnitt der Oberfläche des Objekts aus zumindest zwei verschiedenen
Raumrichtungen bezogen auf den Abschnitt jeweils für mehrere Schnittweiten konfokal in Reflexion detektiert wird, aus den dabei ermittelten Daten für jede Raumrichtung ein dreidimensionaler Bilddatensatz des Oberflächenabschnitts erzeugt wird und die erzeugten Bilddatensätze zu einem dreidimensionalen Gesamtbild des Oberflächenabschnitts kombiniert werden.
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